放水塔工作桥设计的有关问题

吴 钊 吕 磊

（1.西安市水利规划勘测设计院 陕西 西安 710054；2.西安水务（集团）石砭峪水库管理有限公司 陕西 西安 710100）

1 前言

这些年来，在水库除险加固中，笔者曾参加设计的土石坝深式放水隧洞、涵洞（管）进口放水建筑物多采用放水塔。放水塔支承结构为支架（框架式）或支筒，支架为多层双排架，其水平截面为方形或矩形；支筒通常为圆筒或方筒，圆筒水平截面为圆环，方筒水平截面为方形或矩形，中空。为便于操作管理，放水塔须用工作桥与坝顶或岸边相连接。

工作桥一般为多跨（等跨）简支梁桥，近端坝顶或岸上桥台为圬工实体挡土墙，中墩多为单排架，当墩较高时采用双排架，远端为放水塔。当工作桥轴线布置坝内坡（或岸坡）时，工作桥基础坐落在坝内坡（或岸坡）以下一定深度处。

放水塔工作桥的功能、地形及地质条件与一般交通桥差异很大，它的功能主要是通过工作桥运送设备（启闭机、有时有闸门）、部分建筑材料、人员（管理人员）；无汽车荷载，因而上部荷载小，桥面宽度小，桥墩基础位于坝体内坡或岸坡上；桥墩高度大，且愈向库中高度愈大；坝体承载力小，故桥墩多用单排架，并用扩大基础，高排架可用桩基。

根据笔者参加设计多座放水塔及其工作桥工程的实践，今就放水塔工作桥的设计方案谈以下几点意见，供设计参考。

2 工作桥总体布置

工作桥轴线应垂直坝轴线或尽量垂直坝轴线，以减小桥的长度，如桥通向库岸，亦应线路最短。

工作桥为多跨简支梁桥，且等跨，等跨简支梁桥简单，设计施工方便。近坝顶或近岸端下部构造桥台为浆砌石或砼重力式挡土墙，远端为放水塔。由于上部荷重小，高度大，坝体或岸坡土基允许承载力小，故下部构造中墩为单排架，当排架高时可采用双排架，单排架宜适用15m以下，双排架宜适用15m以上。因起重机一般无法到达大坝迎水坡或水库岸坡上，故工作桥一般采用满堂脚手架现浇梁板及排架砼，因为现浇不受起重机重量的限制，加之上部荷载小，排架高度大，故桥跨应采用较大值，一般简支梁工作桥跨度为10m～20m，这样可减小排架的数量，减小工程量。跨度相等，各跨桥板梁尺寸及配筋相同，各跨对排架及桥台作用力相同，便于设计与施工。

3 上部构造桥面板梁的设计

3.1 上部构造

桥面荷载主要是人荷、启闭机重、自重等。桥面宽一般采用2m。桥面板梁整体浇筑，横截面为肋形结构。因为是简支梁，桥梁板的合理截面为π形，当跨度较小时，也可采用T形，其中性轴位于梁腹中。桥板按一跨双悬臂计算。某水库放水塔工作桥为5跨简支梁桥，各跨跨度相等，每跨为16m，其π形梁截面如图1。

图1 梁截面图

当梁跨度10m以内时，可在梁桥两端支座处设横隔梁，将两梁连接，10m以上跨度，中间宜增设1～3道横隔梁。某水库16m跨度简支梁共布设4道横隔梁。横隔梁间距5m多。

3.2 上部构造梁的支座

简支梁桥应在每跨一端设置固定支座，另一端设置活动支座。对于多跨简支梁桥，相邻两跨的简支梁固定支座不宜布置在一个桥墩上，若个别桥墩较高时可在其上布置相邻两跨的活动支座。对于多跨简支梁工作桥，坝顶（或岸坡）实体桥台及放水塔刚度大，可将固定支座设在其上，然后各跨按一固定支座一活动支座布置，并在最高单排架上布设2个活动支座。如工作桥为3跨，设工作桥桥台为右端，放水塔为左端，从右端向左端起算，第一跨桥台设固定支座，1号排架右侧设活动支座，第二跨1号排架左侧设固定支座，2号排架左右侧均设活动支座，放水塔设固定支座。对于其他多跨简支梁桥支座设置可按此类推。如果最高排架为双排架，可在其上布设一固定支座一活动支座，而将两活动支座布设在最高一个单排架上。

当简支梁工作桥的标准跨径小于10m时，支座可用1cm厚（压缩后）油毛毡垫层，此时支座处上部构造梁与排架的摩擦系数为0.5。当跨径10m左右时，亦可采用平板钢支座，其摩擦系数为0.5。当桥跨径为10m～20m时，可采用平板橡胶支座，平板橡胶支座无固定与活动支座之分，板式橡胶支座的摩擦系数为0.20～0.30。为减小温度变化时作用在墩台上的水平力，滑动支座亦可采用聚乙烯板支座，其支座摩擦系数为0.05～0.1。固定支座设锚筋，锚筋直接浇入梁及排架砼中，活动支座亦可设锚筋，锚筋下部浇入排架中，上部伸入梁支座处套筒中，套筒中留有梁因温度变化而产生的伸缩余量，如采用直径D5mm套筒，深入套筒的锚筋用油麻等柔性材料缠绕包裹一圈。梁端无锚筋约束而处于游离状态是不容许的。在地震区，排架上部支座处两侧还应设防震挡块。

4 下部构造排架的计算

位于坝坡上的排架均采用扩大基础，位于岸坡上排架一般采用扩大基础，排架高，地基承载力低时可采用桩基，故排架可视为下端固定上端自由的偏心受压构件。双排架可按两个单排架计算，这样计算简单且偏于安全，双排架及单排架应分别进行沿桥纵向及横行两个方向计算。

4.1 排架桥纵向的计算

因排架高度大，单排架沿桥纵向刚度小，沿桥纵向如有偏心荷载或排架顶有水平温度力作用而不能平衡时，排架受力最不利。

当工作桥各跨高度不相等或虽为等跨，但排架相邻两跨，一跨满荷，一跨无活荷，此时排架偏心受压，此种情况是排架一种不利情况。

当温度变化时，如工作桥跨度相等，且各跨荷载相等，则上部构造作用在排架上的竖向荷载无偏心，且各支座水平摩擦力相等，作用在排架上水平摩擦力相抵消，排架轴心受压。当工作桥各跨高度不等或虽等跨，但各跨活荷不等，此时作用在排架上竖向荷载不仅有偏心，而且温度产生的支座水平摩擦力因不相等而不能抵消，排架受力不利，应为另一种计算情况。

4.2 排架横向计算

工作桥横向刚度小，而上部构造纵梁横向迎风面大，风荷大；且桥重量集中在上部构造纵梁上，头重脚轻水平地震荷载大，这两种情况上部构造梁作用在排架顶端横向水平力大。当上部构造竖向荷载最小时（梁上无活载），排架遇设计风荷，排架横向受力最不利，横向计算应该包括这两种情况。同时此时，排架的稳定性最小，应按此两种情况进行排架横向稳定性计算。

排架横向计算应包括以下几种情况：

（1）空库，上部构造竖向荷载最大，无水平荷载；

（2）空库，上部构造竖向荷载最小，桥横向的水平风荷最大；

（3）空库，上部构造竖向荷载最大，桥横向为设计水平地震荷载；

（4）满库时排架在水中，此种情况可能对排架计算不起控制作用；

（5）其他情况。

4.3 排架稳定验算

排架为高耸建筑物，应进行抗滑抗倾稳定验算。

排架纵向稳定验算，应考虑到有刚度较大的近坝（或近岸）端实体圬工桥台及放水塔支撑，而每个排架上端又有梁约束。

当上部构造竖向荷载最小，而横向风荷最大或为水平设计地震荷载时，排架横向抗滑抗倾稳定性最小（特别是后者），应对此两种情况进行稳定验算。

4.4 排架基础的设计

基础设计应注意下面两个问题：

（1）地基允许承载力应采用水中饱和土的地基久许承载力；

（2）库中有水时，下部构造及其基础容重计算可采用下列计算中的任一种：一是排架及基础均采用干容重，计入基础面上下水压力，所得地基应力不含基底浮力；二是水上排架用干容重，水下排架及基础用浮容重，不计基础上下面水压力，所得地基应力不含浮力。

5 结语

放水塔工作桥的功能、荷载、地形地质条件、布置、形式等与一般交通桥差异较大，至今还未见一种文献对放水塔工作桥设计做过全面论述，本文笔者根据自己的实践，对此作了尝试，其结果可供设计者参考。陕西水利